Monitoreo de metabolitos cerebrales mediante técnicas de resonancia magnética de protones y deuterio (SIGNATURES2023)

Introducción - El envejecimiento de la población mundial se reconoce cada vez más como un desafío social crucial. Sin embargo, las herramientas para realizar investigaciones metabólicas de alta calidad sobre el envejecimiento del cerebro son muy limitadas.

El estudio propuesto se centrará en métodos para evaluar los cambios metabólicos del cerebro que ocurren durante el envejecimiento, así como en 10 pacientes con enfermedad de Alzheimer (EA). Además de la EA, también se examinarán 10 pacientes con deterioro cognitivo mínimo (DCL), 10 pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (DM) y 10 pacientes con estenosis carotídea de alto grado.

El método clínico más destacado actualmente para estudiar el metabolismo cerebral in vivo es la tomografía por emisión de positrones (PET) que utiliza 18F-fluorodesoxiglucosa (FDG). Un gran inconveniente de este método es la radiación ionizante. Un método basado en imágenes espectroscópicas de resonancia magnética (MRSI), llamado imagen metabólica de deuterio (DMI), amplía las capacidades de MRSI que ofrecen las técnicas basadas en protones y permite obtener imágenes del metabolismo de la glucosa in vivo sin radiación ionizante. Una característica única de DMI es que, a diferencia de la PET, no sólo mapea la absorción de glucosa sino también productos derivados como el lactato, el glutamato y la glutamina, ofreciendo así la posibilidad de detectar alteraciones metabólicas asociadas con el envejecimiento y la neurodegeneración.

Debido a la sensibilidad relativamente baja de DMI, se requieren campos magnéticos fuertes para aumentar la relación señal-ruido (SNR) y habilitar DMI. Recientemente, el primer escáner de resonancia magnética 7T de campo ultraalto (UHF) disponible comercialmente fue aprobado para uso clínico y ahora está disponible en Berna, lo que hace que DMI sea accesible. La motivación de los investigadores es proporcionar métodos de MRSI no invasivos, libres de radiación, basados ​​en deuterio y protones que permitan estudios metabólicos del cerebro y sentar las bases para estudios observacionales longitudinales a largo plazo del envejecimiento; algo que difícilmente se puede hacer con PET debido a la carga de radiación para los controles sanos.

Objetivos: el objetivo principal del proyecto propuesto es establecer una metodología MRSI basada en deuterio (2H) y protón (1H) resuelta espacialmente en 3D para estudios del metabolismo cerebral y aplicar esta metodología en un estudio de viabilidad in vivo. Para complementar DMI, los investigadores establecerán un mapeo 1H-MRSI editado espectralmente resuelto en 3D UHF para glucosa, ácido gamma-aminobutírico (GABA) y glutamato utilizando la técnica recientemente desarrollada por los investigadores llamada SLOW.

El objetivo secundario es crear un atlas de referencia tridimensional resuelto espacialmente de información metabólica del cerebro para individuos sanos. El atlas permitirá el análisis espacialmente resuelto de información metabólica de pacientes individuales con trastornos neurológicos comparándolos con datos normativos utilizando anomalías derivadas de la puntuación z. mapas.

Hipótesis: (a.) El mapeo de glucosa/glutamato/lactato basado en 3D-MRSI utilizando DMI facilita comparaciones cuantitativas resueltas espacialmente entre pacientes con EA y controles sanos utilizando mapas de puntuación z; (b.) El MRSI de glucosa/GABA y glutamato editado con 1H-SLOW facilita las comparaciones cuantitativas resueltas espacialmente entre pacientes con EA y controles sanos utilizando mapas de puntuación z.

Métodos: los investigadores (i.) adaptar su secuencia UHF 1H-EPSI MRSI para DMI; (ii.) optimizar su secuencia EPSI editada con 1H-SLOW con el objetivo de medir en todo el cerebro la edición de GABA, glutamato y glucosa, junto con los metabolitos N-acetil-aspartato (NAA), colina, creatina y aspartato; (iii.) ampliar su herramienta analítica specrIm-QMRS para cuantificar y analizar conjuntos de datos metabólicos 3D-2H, (iv.) calcular todos los mapas metabólicos 1H- y 2H-MRSI resueltos en 3D y registrarlos conjuntamente con imágenes anatómicas 3D de alta resolución; (v.) desarrollar una metodología para generar un atlas metabólico de datos normativos y realizar comparaciones basadas en puntuación z utilizando el atlas.

Importancia: es probable que la tendencia hacia una mayor intensidad de campo en la resonancia magnética continúe haciendo que DMI esté cada vez más disponible para aplicaciones clínicas y de investigación. UHF DMI y 1H-EPSI MRSI proporcionarán una forma no invasiva de cuantificar el metabolismo cerebral. DMI ofrece información sobre el metabolismo de la glucosa, mientras que 1H-SLOW sobre las concentraciones de glucosa, GABA y glutamato. El enfoque propuesto para el análisis de datos de MRSI es fundamentalmente diferente del que se aplica actualmente en MRSI clínico y permitiría detectar y mostrar incluso variaciones sutiles de las características metabólicas normativas. Si tiene éxito, las imágenes metabólicas UHF ofrecerían una modalidad libre de radiación, que podría aplicarse repetidamente en sujetos jóvenes y sanos para estudiar el envejecimiento. Es importante destacar que los métodos propuestos proporcionarán conocimientos más profundos sobre la bioenergética, específicamente la función mitocondrial, la fosforilación oxidativa y el uso de combustibles alternativos para el suministro de energía cerebral, información que la FDG-PET no puede proporcionar. Además, los análisis comparativos que utilicen conjuntos de datos normativos facilitarían los estudios del amplio espectro de trastornos con bioenergética cerebral alterada, por ejemplo, la neurodegeneración y la neuroinflamación, pero también enfermedades no específicas del sistema nervioso central, como la obesidad y la diabetes, todas ellas con un alto impacto socioeconómico.